生物組織穿刺電極的設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)對(duì)電阻抗測(cè)量的影響

王智運(yùn) 趙碩峰 鄧親愷* 尹慶水 章 凱 吳 文

1(廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣州 510010)

2(南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣州 510515)

引言

對(duì)人體組織進(jìn)行穿刺是臨床上常用的檢查和治療手段，隨著微創(chuàng)外科的發(fā)展，各種經(jīng)皮穿刺治療的技術(shù)也迅速增加。然而，由于這些操作往往是在“盲視”條件下進(jìn)行的，通常需借助于 X線透視、CT等影像學(xué)方法進(jìn)行引導(dǎo)。這些輔助方式的缺點(diǎn)是容易對(duì)醫(yī)生及患者造成輻射損傷，且無(wú)法達(dá)到連續(xù)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控。生物電阻抗測(cè)量(bioelectric impedance measurement，BEI)是一種無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)，它利用各種組織、器官不同的電導(dǎo)參數(shù)，提取相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息，以識(shí)別不同的組織和器官［1］。該技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)、廉價(jià)、安全、無(wú)放射性、操作簡(jiǎn)單和信息豐富等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛［2－3］。

傳統(tǒng)的BEI技術(shù)多借助置于體表的電極系統(tǒng)，向檢測(cè)對(duì)象輸入測(cè)量電流或電壓，電極排列多采用二電極法、四電極法等。為了實(shí)現(xiàn)在穿刺操作過(guò)程中的實(shí)時(shí)測(cè)量，設(shè)計(jì)制作了同心圓狀排列的雙電極結(jié)構(gòu)，使之既符合在人體(特別是硬組織)進(jìn)行穿刺的生物力學(xué)要求，又能達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量生物電阻抗值的目的。在此基礎(chǔ)上，控制正極面積、負(fù)極面積和兩極間距離這三個(gè)參數(shù)發(fā)生獨(dú)立變化，對(duì)生物組織進(jìn)行初步測(cè)量，分析這種電極排列結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量生物電阻抗測(cè)量結(jié)果的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

采用不銹鋼材料(9Cr18)制作正、負(fù)電極，正極(A)為中空套筒狀，負(fù)極(C)為實(shí)心圓柱體的內(nèi)芯狀設(shè)計(jì)，內(nèi)置于正極套筒內(nèi)并與之呈同軸排列(見(jiàn)圖1)。正、負(fù)兩極間以絕緣層(B)相隔，分別焊接外包絕緣層的導(dǎo)線，將器件A、C與組織的接觸長(zhǎng)度分別記為 d和 D，介于 A、C間的器件 B的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)。

圖1 正、負(fù)極呈同軸排列Fig.1 The coaxial arrangement of positive and negative electrodes

選取6根完全一樣的負(fù)極(直徑1.2 mm)，使用絕緣膠布包裹其表面，使其尖端的裸露長(zhǎng)度L分別為0～5 mm，依次標(biāo)記為0～5號(hào)負(fù)極(其中，0號(hào)負(fù)極的裸露面積最小，僅為其橫截面積)。取1.2和1.5 mm直徑的負(fù)極各1根，保持其表面裸露，分別標(biāo)記為6、7號(hào)負(fù)極。

生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)和恒溫操作平臺(tái)由南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供(激勵(lì)信號(hào)為57 kHz)，采用30 mm×30 mm×60 mm的絕緣盒作為生物組織電阻抗測(cè)量的容器(廣州軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科提供)，被測(cè)生物組織為10塊離體8～10 h的家豬腰大肌肌肉標(biāo)本。

1.2 方法

將家豬肌肉標(biāo)本修剪成為與絕緣盒體積、形態(tài)一致的組織塊，保持肌纖維方向與絕緣盒長(zhǎng)軸方向一致，置入絕緣盒內(nèi)。絕緣盒放置于恒溫操作平臺(tái)上，保持溫度恒定于36～37℃，整個(gè)測(cè)量過(guò)程在電場(chǎng)屏蔽的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。

分別調(diào)節(jié)器件 A～C的插入深度，控制 d、L和D的長(zhǎng)度產(chǎn)生獨(dú)立變化。當(dāng)d和L保持恒定、僅 D發(fā)生變化時(shí)，正極接觸面積發(fā)生獨(dú)立變化;當(dāng)d和D保持恒定、僅L發(fā)生變化時(shí)，兩級(jí)間的距離發(fā)生獨(dú)立變化;當(dāng)L和D保持恒定、僅d發(fā)生變化時(shí)，負(fù)極接觸面積發(fā)生獨(dú)立變化。

在10個(gè)標(biāo)本上進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，將得到的10組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行算術(shù)平均。將以上結(jié)果分別輸入SPSS11.0軟件(南方醫(yī)科大學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)教研室提供)，利用雙變量相關(guān)分析(bivariate)和曲線估計(jì)(curve estimation)，分別將上述3組自變量與阻抗值這一因變量進(jìn)行對(duì)比研究。在采用這種電極測(cè)量生物阻抗時(shí)，分析3個(gè)參數(shù)的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的規(guī)律。

2 結(jié)果

2.1 正極接觸面積變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

將正極接觸面積記為 S1－i，(i=1，2，…，10，表示不同正負(fù)極接觸面積、兩極間距離的組合)，相應(yīng)的阻抗值記為 R1－i，算術(shù)平均值記為 R—1－i。利用SPSS11.0 對(duì) S1－i與 R—1－i進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，結(jié)果顯示兩者存在顯著的負(fù)相關(guān)性(Pearson相關(guān)分析:r=－0.576，P=0.000)。進(jìn)一步進(jìn)行曲線估計(jì)，Linear決定系數(shù)為0.960，相應(yīng)的回歸方程為

擬合的曲線見(jiàn)圖2，線性度良好。

圖2 阻抗值與正極面積的線性擬合圖形Fig.2 Linear fitting figure between impedance and anode area

2.2 兩極間距離變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

兩極間距離記為 Li，相應(yīng)的阻抗值記為 R2－i，算術(shù)平均值記為 R—2－i。對(duì) Li與 R—2－i進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，結(jié)果顯示兩者存在顯著的正相關(guān)性，設(shè)計(jì)的6個(gè)負(fù)極 Pearson相關(guān)分析的相關(guān)系數(shù) r介于0.977～0.998之間，P均為0.000。曲線估計(jì)Linear決定系數(shù)介于0.954～0.997之間，P值均為0.000。建立每個(gè)負(fù)極相應(yīng)的回歸方程，雖然6個(gè)負(fù)極因面積不同導(dǎo)致回歸方程的系數(shù)存在差異，但是擬合曲線的線性吻合度均十分良好。例如，3號(hào)負(fù)極的擬合曲線見(jiàn)圖3，回歸方程為

2.3 負(fù)極接觸面積變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

將6號(hào)負(fù)極不同穿刺深度對(duì)應(yīng)的負(fù)極接觸面積記為 S3－i，相應(yīng)的阻抗值記為 R3－i，算術(shù)平均值記為。對(duì) S3－i與3－i進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，結(jié)果顯示兩者存在顯著的負(fù)相關(guān)(Pearson相關(guān)分析:r=－0.885，P=0.000)，曲線估計(jì)冪模型(Power)的決定系數(shù)最高(R2=0.960)，有顯著性意義(P=0.000)，擬合的曲線見(jiàn)圖4，相應(yīng)的回歸方程為

圖3 阻抗值與兩極間距的線性擬合圖形Fig.3 Linear fitting figure between impedance and terminal distance

圖4 負(fù)極面積與阻抗 Power曲線的擬合圖形Fig.4 Power fitting figure between impedance and cathode area

3 討論

3.1 雙電極呈同心圓狀排列的設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)的二電極、四電極法顯然無(wú)法適用于在穿刺操作過(guò)程中進(jìn)行生物電阻抗測(cè)量，由于要滿足在生物體內(nèi)甚至是能在骨組織內(nèi)進(jìn)行穿刺并保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性這一特殊需求，因此電極復(fù)合結(jié)構(gòu)必須具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度。選取不銹鋼作為正負(fù)極的材料，其優(yōu)點(diǎn)是既具有高強(qiáng)度和高抗形變能力，還具有優(yōu)越的電氣性能，完全可以滿足臨床上在人體組織內(nèi)(特別是硬組織)進(jìn)行穿刺的要求［4］。

3.2 生物電阻抗測(cè)量外部干擾因素的排除

生物電阻抗測(cè)量受到溫度、濕度、電場(chǎng)、組織的體積形狀等多種因素的影響［5－6］，因此將整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)置于屏蔽室內(nèi)，在恒溫平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量操作，能較大程度地排除這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

離體8～10 h的家豬肌肉阻抗變化幅度較?。?－6］，測(cè)量結(jié)果較為穩(wěn)定。標(biāo)本沿肌纖維方向修剪為統(tǒng)一大小，可減少肌肉組織內(nèi)部阻抗值的各向異性對(duì)結(jié)果帶來(lái)的誤差［6］，并可減小電極與組織間接觸壓力對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。

3.3 電極因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

電極的材料、形狀、尺寸等因素均會(huì)影響電極與組織之間的電化學(xué)反應(yīng)，從而影響測(cè)量結(jié)果［7］。本研究使用的穿刺電極具有正負(fù)極面積不相等、極間距離較小、正負(fù)極排列方式呈同心圓狀平行排列等特點(diǎn)，文獻(xiàn)調(diào)查未見(jiàn)針對(duì)這種結(jié)構(gòu)電極進(jìn)行生物阻抗測(cè)量的系統(tǒng)研究。本研究通過(guò)控制正極面積、負(fù)極面積、兩極間距離的獨(dú)立變化，著重觀察了3個(gè)變量對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響的方式和規(guī)律。

正極接觸面積和兩電極間的距離與阻抗值呈線性相關(guān)(見(jiàn)式(1)和式(2))，證明使用該類(lèi)電極結(jié)構(gòu)測(cè)量生物阻抗時(shí)，正極接觸面積與阻抗值對(duì)阻抗測(cè)量值的影響基本遵從電學(xué)公式，即

式中，ρ為電阻率，σ為電導(dǎo)率。

負(fù)極接觸面積與阻抗測(cè)量值的相關(guān)關(guān)系不符合線性方程，而是最符合冪函數(shù)方程，即當(dāng)負(fù)極接觸面積減小時(shí)，阻抗值呈指數(shù)級(jí)遞增。使用該電極結(jié)構(gòu)測(cè)量生物阻抗時(shí)，接觸面積較小的變化可能會(huì)使阻抗測(cè)量值產(chǎn)生較大幅度的變化，尤其在接觸面積非常小的情況下尤為明顯(見(jiàn)圖4)，與黃力子等在對(duì)牙齒根管長(zhǎng)度電測(cè)法進(jìn)行原理性研究時(shí)提出的“孔穴阻抗”現(xiàn)象較為一致［8－9］。

3.4 其他影響因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

在生物阻抗測(cè)量過(guò)程中，電極極化狀態(tài)、電極與組織界面的雙電層、接觸阻抗以及電極所允許通過(guò)的最大電流密度等因素均會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，以上干擾因素的排除還有待更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

以上研究表明，使用此類(lèi)結(jié)構(gòu)電極能較為準(zhǔn)確地測(cè)量穿刺過(guò)程中的生物阻抗值。然而，當(dāng)負(fù)極接觸面積非常小時(shí)，其很小的變化都可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和精確性下降，故而在設(shè)計(jì)生產(chǎn)這類(lèi)雙電極結(jié)構(gòu)時(shí)，負(fù)極面積不宜過(guò)小。

［1］任超世.生物電阻抗測(cè)量技術(shù)［J］.中國(guó)醫(yī)療器械信息，2004，10(1):21－24.

［2］付峰，董秀珍，劉銳崗，等.乳腺電阻抗投影成像算法及實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2008，27(5):659－662.

［3］Brian HB，John AT，Karen B.Relation between tissue structure and imposed electrical current flow in cervical neoplasia［J］.Lancet，2000，355(11):892－895.

［4］湯黎明.癲癇手術(shù)定位PC皮層電極的研制［J］.中國(guó)醫(yī)療器械雜志，1992，16(4):223.

［5］付峰，董秀珍，臧益民，等.生物組織復(fù)阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2003，7(1):7－8.

［6］林新.生物組織阻抗頻譜測(cè)量技術(shù)及特性的基礎(chǔ)研究［D］.西安:第四軍醫(yī)大學(xué)，2005.

［7］王洪良，吳開(kāi)杰，梁婷，等.基于在體阻抗測(cè)量的視神經(jīng)假體反饋系統(tǒng)構(gòu)建［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2009，26(3):1184－1187.

［8］黃力子，王印憑，李益民.關(guān)于根管長(zhǎng)度電測(cè)法原理的研究，第一部分:基礎(chǔ)研究［J］.第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，1982，1:73－81.

［9］黃力子，趙皿，謝欣梅，等.關(guān)于根管長(zhǎng)度電測(cè)法原理的研究，第二部分:臨床研究［J］.第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，1982，4:283－289.